掘削機並びに掘削システム及び掘削方法
【課題】 トンネルの掘削を行うにあたり熟練度を必要とせず、掘削作業を安全に行うことができる掘削システムを提供する。
【解決手段】 上記目的を達成するための掘削システムは、拡散型のレーザを照射する３次元レーザレーダと、掘削機に備えられた掘削手段や駆動手段を動作させる駆動制御装置と、を備えた掘削機と、前記掘削機の動作を監視、あるいは掘削機を遠隔操作する操作・監視手段と、前記３次元レーザレーダに対して制御信号を出力すると共に３次元画像作成情報を得、当該３次元画像作成情報に従って３次元画像データを作成し、作成された３次元画像データを前記操作・監視手段に送信し、前記３次元画像に基づいて計測対象面の掘削箇所を特定し、特定した掘削箇所を掘削する旨の信号を前記駆動制御装置へ出力する演算装置と、を備えたことを特徴とする。
【解決手段】 上記目的を達成するための掘削システムは、拡散型のレーザを照射する３次元レーザレーダと、掘削機に備えられた掘削手段や駆動手段を動作させる駆動制御装置と、を備えた掘削機と、前記掘削機の動作を監視、あるいは掘削機を遠隔操作する操作・監視手段と、前記３次元レーザレーダに対して制御信号を出力すると共に３次元画像作成情報を得、当該３次元画像作成情報に従って３次元画像データを作成し、作成された３次元画像データを前記操作・監視手段に送信し、前記３次元画像に基づいて計測対象面の掘削箇所を特定し、特定した掘削箇所を掘削する旨の信号を前記駆動制御装置へ出力する演算装置と、を備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘削機並びに掘削システム、及び掘削方法に係り、特に画像処理を用いて切羽面の状態を把握して掘削を行う掘削機並びに掘削システム、及び掘削方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネルを掘削する機械は、大別すると２種類のものを挙げることができる。全断面トンネル掘進機（トンネルボーリングマシン）と呼ばれる機械と、アームを操作して掘削を行う掘削機（以下単に掘削機という）である。
前記トンネルボーリングマシンは、高速掘進が可能であること、安全性が高く、円形断面であり余堀も殆どなく力学的に安定であること、及び切羽面に人が近づくことが無いため安全であること等の長所が知られている。しかし、断層破砕帯・軟弱層における掘削ではトラブルが発生しやすいこと、機械が大掛かりで工費がかさむこと、断面形状が円形に限定されること等の理由から、距離の短いトンネルや、地表から比較的浅い箇所に掘られるトンネルの掘削には使用される機会が少ない。
【０００３】
一方、前記掘削機は、トンネルボーリングマシンに比べ小型であり、工費も安く抑えられ、トンネルの断面形状は、切羽面の掘削を行うアームの操作次第でバリエーションを増やすことができるため、距離の短いトンネル等の掘削に多く用いられる。しかし、トンネルボーリングマシンが切羽面の全面を一度に掘削することに比べ、掘削機はアームによって切羽面を部分的に掘削するため、掘進の効率は低い。また、作業者が乗車して操作を行うため、作業者が切羽面へ近づくこととなり、安全性についてもトンネルボーリングマシンの方が高い。
【０００４】
掘削機を用いてトンネル掘削を行う上での安全性を高める方法として、切羽面と離れた位置で掘削機を遠隔操作することが特許文献１に示されている。特許文献１に記載されている方法は、遠隔操作可能に構成された掘削機の機体にステレオ撮影可能なカメラを備える。そして、前記カメラによって得られた２つの画像をステレオマッチングすることで得られる３次元画像と、トンネル設計用の３次元ＣＡＤデータとを重ね合わせ、重ね合わせた画像データを表示手段に表示する。この後、作業者は前記表示手段に表示された画像データを参照して掘削機のアームを操作してトンネルの掘削を行う。
【特許文献１】特開平６−３１７０９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された方法であれば、作業者はトンネルの切羽面を実際に目視しなくとも、その凹凸形状や掘削方向を把握することができる。このため、遠隔地で無人の掘削機を操作することによってトンネル掘削を進めることが可能となると考えられる。しかし、ステレオマッチングによって得られる３次元画像だけでは正確な距離情報を得ることができないため、実際に遠隔操作を行う場合には熟練度を必要とする。また、掘削機が３次元ＣＡＤデータ上の何処に位置しているかを把握しなければならない。このため、掘削機の周囲には予め複数のターゲットを設け、それぞれのターゲットの座標点を把握し、これらの座標点から掘削機までの距離に基づく位置決め作業等を必要とする。よって、掘削機の周囲には常に座標位置が把握されたターゲットを複数配置しておく必要があり、作業効率が低下する。
【０００６】
本発明では、掘削を予定するトンネルの切羽面の状態を効率良く正確に把握することができ、トンネルの掘削を行うにあたり熟練度を必要とせず、掘削作業を安全に行うことができる掘削機並びに掘削システム、及び掘削方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明に係る掘削機は、レーザ光を用いて測距を行って計測対象面の３次元画像データを取得する３次元画像情報取得装置を備え、前記３次元画像情報取得装置を介して取得した３次元画像データに基づいて掘削箇所を特定し、掘削を行う掘削機であって、前記３次元画像取得装置は、レーザ光を照射するレーザ光照射ユニットと、照射されたレーザ光のうち、計測対象面に反射して到来したレーザ光を受光する光学ユニットと、前記レーザ光照射ユニットから照射したレーザ光と前記光学ユニットによって受光したレーザ光との位相差を割り出すレーダ回路ユニットとから構成され、前記光学ユニットには、取得する３次元画像データを構成する画素毎に選択されるそれぞれ異なるパターンに従って反射面を構成し、レーザ光を受光部に導く空間変調器を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、上記目的を達成するための本発明に係る掘削システムは、レーザ光を用いて測距を行って計測対象面の３次元画像データを取得する３次元画像情報取得装置を備え、前記３次元画像情報取得装置を介して取得した３次元画像データに基づいて掘削箇所を特定し、掘削を行う掘削機と、前記掘削機の動作を操作あるいは監視する操作・監視手段とを備える掘削システムであって、前記３次元画像取得装置は、レーザ光を照射するレーザ光照射ユニットと、照射されたレーザ光のうち、計測対象面に反射して到来したレーザ光を受光する光学ユニットと、前記レーザ光照射ユニットから照射したレーザ光と前記光学ユニットによって受光したレーザ光との位相差を割り出すレーダ回路ユニットとから構成され、前記レーザ光照射ユニットは拡散型のレーザを照射するレンズを備え、前記光学ユニットには、取得する３次元画像データを構成する画素毎に選択されるそれぞれ異なるパターンに従って反射面を構成し、レーザ光を受光部に導く空間変調器を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、上記目的を達成するための掘削方法は、レーザ光を照射して計測対象面に反射したレーザ光を受光して前記計測対象面までの距離データを取得し、レーザの照射範囲に設定された画素毎に前記距離データを当てはめて３次元画像データを作成し、前記３次元画像データに基づいて計測対象面における掘削箇所を特定し、前記掘削箇所に掘削手段を移動させて計測対象面の掘削を行う掘削方法において、到来したレーザ光は取得する画像データの画素毎に定められたそれぞれ異なるパターンに従って反射面を形成する空間変調器に反射させて受光することを特徴とする。
【００１０】
また、上記のような特徴を持つ掘削方法において、前記掘削箇所の特定は、前記計測対象面までの距離データに基づく平均距離と、画素毎の距離データとを比較することによって定めると良い。
さらに、掘削は、計測対象面の３次元画像データに従って、凹凸箇所が３次元画像データを構成する画素単位の距離データの平均値に対し、予め定めた閾値の範囲内となるように進めると良い。
【発明の効果】
【００１１】
上記本発明の掘削機並びに掘削システム及び掘削方法では、レーザ光により計測対象面までの距離を計測して３次元画像データを得るため、掘削を予定するトンネルの切羽面の凹凸状態を正確に把握することができる。また、受光部へレーザ光を導く空間変調器の反射面を画素毎に定められたパターンに従って形成するため、前記パターンに対応した画素を特定し、距離データをあてはめるだけで３次元画像データが得られるため、画像データ作成処理が早い。また、照射するレーザ光を拡散型としたことにより、レーザ光の照射角度を画素毎に変化させる必要が無くなる。また、照射された拡散レーザ光を、複数の反射体によって反射させて受光部へ導くことにより、拡散レーザ光であっても、十分な強度の光を得ることができる。
【００１２】
さらに、切羽面の凹凸が均等、あるいは一定範囲内に収まるように掘削を進めることにより、切羽面が力学的に安定する。
また、掘削作業を自動化することにより、熟練度を必要とせずにトンネルを掘削することが可能となる。また、本発明の掘削システムによれば、作業者が切羽面に接近することが無いため、作業における安全性が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の掘削機及び掘削システムに係る実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明に係る好適な実施形態の一部を示すものであり、本発明は以下の実施形態に限定されるものでは無い。
【００１４】
図１は、本発明の掘削機及び掘削システムに係る実施形態の概略構成を示すブロック図である。本実施形態の掘削システム１０は、トンネルの掘削を行う掘削機１２と、前記掘削機１２を操作あるいは監視する操作・監視手段１４とを基本構成とする。
【００１５】
前記掘削機１２は、掘削するトンネルの切羽面（図中では計測対象面）における凹凸形状を３次元画像情報として取得する３次元画像情報取得装置（以下、３次元レーザレーダという）１６と、掘削機１２自体を動作させる駆動制御装置７０と、前記３次元レーダレーダ１６と前記駆動制御装置７０及び前記操作・監視手段１４との間での制御信号の処理を担う信号処理装置（以下、コンピュータという）８０と、前記駆動制御装置７０によって制御されて切羽面の掘削を行う掘削手段７４、及び掘削機１２を移動させるための移動手段７２とを備える。
【００１６】
前記３次元レーザレーダ１６は、レーザ光照射ユニット２０と、光学ユニット３０、及びレーダ回路ユニット５０とを有する。
前記レーザ光照射ユニット２０は、掘削対象とされるトンネルの切羽面に対してレーザ光を照射するユニットである。具体的には、レーザダイオード及びミラー等から構成されるレーザ発振器と前記レーザダイオードにレーダ回路ユニット５０から出力された信号を与えて動作させるドライバとから成るレーザ出力部２４と、前記レーザ出力部２４から出力されたレーザ光を拡散させる光学レンズ２２とを有する。本実施形態では照射するレーザ光を拡散するため、光学レンズ２２には例えば両凸レンズを用いれば良い。
【００１７】
前記光学ユニット３０は、前記レーザ光照射ユニット２０によって照射されたレーザ光のうち、照射対象であるトンネルの切羽面に反射して到来したレーザ光を受光するユニットである。具体的には、光学レンズ３２、プリズム３３、マイクロミラーアレイ空間変調器（以下、空間変調器という）３４、光検出器（光電変換器）４０等を備え、到来した反射光（レーザ光）を受光するユニットである。また、一般に、レーザ測距に用いられる光学ユニット３０には、光学レンズ３２の前段に、出力したレーザ光の周波数帯域の光をのみを透過させるバンドパスフィルタ（不図示）が備えられる。
【００１８】
前記光学レンズ３２は、前記バンドパスフィルタを透過して到来したレーザ光を集光してプリズム３３へ導く。プリズム３３は入射されたレーザ光の進路を変更し、空間変調器３４のマイクロミラー３４ａ（図２参照）へ導くと共に、前記マイクロミラー３４ａによって適正に反射されたレーザ光を光検出器４０へと導く。空間変調器３４は、平面上に配列された複数のマイクロミラー（反射体）３４を有するものである。例えば図２のように配列されたマイクロミラーアレイでは、個々のマイクロミラー３４ａの反射面を所定の向き（方向）へ傾けることで、プリズム３３によって導かれたレーザ光を適正な方向（光検出器４０の受光面）へ反射させる。空間変調器３４には、前記マイクロミラー３４ａの動作を個々に制御するマイクロミラー制御回路３６が接続されており、マイクロミラー制御回路３６には、マイクロミラー３４ａを制御するタイミングを図るタイミングコントローラ３８が設けられる。タイミングコントローラ３８は、コンピュータ８０から出力される制御信号を受け、当該制御信号に従ってマイクロミラー３４ａの制御を行う。このような制御部を有する空間変調器のマイクロミラー３４ａは、制御によりＯＮとなった場合（図２においてはＡの状態）に、その反射面を所定の向きへ傾け、制御が行われない状態（ＯＦＦ状態：図２においてはＢの状態）においては、反射面をＯＮと反対側へ傾ける。このため、ＯＦＦ状態のマイクロミラー３４ａに入射したレーザ光は、適正な方向へと反射されず、光検出器４０に受光され無い。
【００１９】
マイクロミラーアレイ３４ａのＯＮ／ＯＦＦのパターン制御は、所望する３次元画像の画素数に対応させた複数のパターンが選択される。本実施形態のマイクロミラーアレイ３４ａのＯＮ／ＯＦＦパターンは、拡散されたレーザ光を効率良く集光するために、各パターンにおいて５０％程度のマイクロミラー３４ａがＯＮ状態となるようにすると良い。これにより、受光される信号のＳＮ比が向上し、詳細を後述するレーダ回路ユニット５０における増幅や検波等の処理時に、ノイズに埋もれてしまうことが少なくなる。
【００２０】
前記マイクロミラーアレイ３４ａのＯＮ／ＯＦＦパターンの制御には、アダマール行列を用いたアダマール変換を利用すると良い。パターン制御にアダマール行列を用いた場合、各パターンを逆変換することにより対応する画素の位置を特定することができるため、３次元画像を作成する際の演算処理が容易となる。このため、レーザ光を用いた計測面の走査から３次元画像作成までの一連の処理の高速化を図ることができる。なお、マイクロミラーアレイの制御にアダマール行列を利用する場合、マイクロミラーアレイはマトリックス状に配置されることとなる。
【００２１】
上記のように、空間変調器３４にマイクロミラーアレイを備えることで、拡散レーザを用いた場合であっても、光検出器４０に十分な光強度のレーザ光を入射することができる。また、測距用のレーザとして拡散レーザを採用することにより、スポットレーザのように照射角度を変えるという処理が少なく、或いは処理自体が必要なくなる。このため、レーザの照射角度を変化させるための機構や制御回路が不要となり、装置の小型化を図ることが可能となる。また、マイクロミラーアレイの制御パターンにアダマール行列を利用することにより、距離データを得た画素毎の配列を求める演算処理が容易となるため、データ取得から３次元画像作成までの処理速度が向上する。
【００２２】
前記レーダ回路ユニット５０は、前記レーザ光照射ユニット２０へ出力信号を供給すると共に、当該出力信号と同一の信号を受光側の参照信号として与え、当該参照信号と前記光学ユニット３０によって検出された信号との位相差を取り出すユニットである。具体的には、高周波発振器（ＲＦ（Radio Frequency）発振器）５２と、パワースプリッタ５４，６８と、ＲＦアンプ５６，６６と、ハイブリッド５８と、ミキサ６０（６０ａ，６０ｂ）と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）６２（６２ａ，６２ｂ）と、Ａ／Ｄコンバータ６４とを有する回路である。
【００２３】
前記ＲＦ発振器５２は、単一の周波数の信号を発振する。前記パワースプリッタ５４は、前記ＲＦ発振器５２から出力された信号を前記レーザ光照射ユニット２０へ供給する信号と、受光側の参照信号とに分割し、同一信号を２方向へ出力する。レーザ光照射ユニット２０への供給信号として出力された信号は、ＲＦアンプ５６へ入力され、増幅された後、レーザ光照射ユニット２０へ入力される。
【００２４】
一方、受光側の参照信号として出力された信号は、９０°ハイブリッド５８に入力され、位相が９０°ずれた同一周波数の２つの信号（０°と−９０°）に分割されて、それぞれミキサ６０に入力される。それぞれのミキサ６０には、９０°ハイブリッド５８からの出力信号の他に、前記光検出器４０によって入力される受光信号がＲＦアンプ６６、パワースプリッタ６８を介して入力される構成となっている。２つの信号が入力されたそれぞれのミキサ６０からは、中間周波数信号（ＩＦ（Intermediate Frequency）信号）が出力される。ミキサ６０から出力されたＩＦ信号（和分：高周波と差分：低周波）は、ＬＰＦ６２を通過する。ＬＰＦ６２を通過した差分の信号は、Ａ／Ｄコンバータ６４へ入力される。Ａ／Ｄコンバータ６４には、前記ＬＰＦ６２からの信号の他、光学ユニット３０のタイミングコントローラ３８からの空間変調器３４の制御信号が入力される。入力された２つの信号は、それぞれデジタル信号に変換されて、コンピュータ８０へ出力される。
【００２５】
上述のようにしてコンピュータ８０へ取り込まれた複素数データの実数部と虚数部をマイクロミラーアレイの制御パターンに用いたアダマール行列に従って個別に逆変換する。これにより各画素毎の複素数データが得られる。これらのデータから振幅と位相を求める。このうちの位相データから計測対象面である切羽面までの距離が算出される。このようにして３次元画像データを作成する。
作成した３次元画像データは、操作・監視手段へ送信し、監視モニタに出力される。
【００２６】
前記駆動制御装置７０は、前記コンピュータ８０からの駆動制御信号を受けることにより、掘削機１２に備えられた掘削手段７４や、移動手段７２等を動作させる駆動信号を、各駆動用モータ（不図示）等に送る装置である。
前記掘削手段７４は、トンネルの切羽面を掘削するためのカッタやドリル、ピック等を備えるヘッド７４ｂと、前記ヘッド７４ｂを所定位置に移動させるためのアーム７４ａとを基本構成とする。また、前記移動手段７２は、ローラやキャタピラ等によって構成されるもので良い。
【００２７】
コンピュータ８０が駆動制御装置７０へ信号を出力するにあたっては、次のような処理が行われる。まず、画素単位で計測した切羽面までの距離に基づいて、切羽面までの平均距離Ｌ（図３参照）を算出する。次に、画素毎の距離データと前記平均距離Ｌとを比較する。なお、比較は減算によって行えば良い。
【００２８】
コンピュータ８０には、前記平均距離Ｌから特定の距離（Ｌ１）だけ掘削機１２側へシフトさせる距離を閾値として記憶されており、比較結果が閾値Ｌ１の範囲外であった場合、該当箇所は特異点として特定掘削箇所に設定される。例えば前記平均距離Ｌのデータから特定の画素に与えられた距離データを減算した結果Ｌ２が、前記閾値Ｌ１よりも大きい場合、その画素は特定掘削箇所に設定される。
【００２９】
この後、掘削機１２から所定の距離（例えば閾値として定めた距離）Ｌ１に仮想平面ａを設定し、当該仮想平面ａ上に特定掘削箇所の３次元データを合成し、操作・監視手段１４の監視モニタに表示する（図４参照）。
その後、特定掘削箇所のうち、与えられた距離データが小さい画素が存在するエリアから掘削を行うように、前記駆動制御装置７０に制御信号を出力する（図５参照）。
【００３０】
一方、図６に示すようにＬ２がいずれもＬ１より小さく特定掘削箇所が存在しないと判定した場合には、切羽面の全体掘削する旨の制御信号を駆動制御装置７０へ出力する。この場合、切羽面の掘削量を定めるために、前記平均距離Ｌよりも所定距離延長した位置（例えばＬ３だけ延長した位置）に仮想平面ｂを設定し、当該仮想平面ｂまで掘削を行うようにする。
そして、所定範囲の掘削が終了した場合、コンピュータ８０は再度切羽面の３次元計測を行うか、移動手段７２により掘削機１２を移動させる旨の信号を前記駆動制御装置７０へ出力する。
【００３１】
このような処理に従って切羽面の掘削を行うことにより、切羽面の凹凸を均等あるいは一定範囲内に抑えることができる。このため、切羽面の特定箇所に過度の荷重が加わることが無く、力学的に安定な状態で掘削を行うことができる。
前記操作・監視手段１４は、前記掘削機１２に備えられたコンピュータ８０と無線或いは有線で接続されており、掘削時に作成された３次元画像データを参照可能な監視モニタや、掘削開始或いは停止等の基本操作信号を送信するための基本操作信号送信手段を備えている。
【００３２】
このような構成の掘削システム１０によれば、トンネル掘削に際し、作業員が切羽面に接近することが無いため、安全性が高い。また、切羽面の３次元画像データを得るための処理速度が速いため、掘削作業を円滑に行うことができ、作業効率が良い。また、光学ユニット３０の空間変調器３４にマイクロミラーアレイを採用したことにより、ガルバノミラーやポリゴンミラーを採用するものに比べて装置を小型化することができる。さらに、レーザ光照射ユニット２０から照射されるレーザ光を拡散させているため、安全性が高い。
【００３３】
上記構成の掘削システム１０では、次のような手順に従ってトンネル切羽面の掘削が行われる。
まず、作業者によって操作・監視手段１４に入力された指令に従って、掘削を行う切羽面全体の３次元計測を行う（ステップ１００）。
【００３４】
切羽面の３次元計測を終えた後、切羽面について計測を行った画素数と画素毎に得られた距離データとから、掘削機１２（３次元レーザレーダ１６）から切羽面までの平均距離Ｌを算出する（ステップ１１０）。
掘削機から切羽面までの平均距離を算出した後、画素毎に取得した距離データと、前記平均距離Ｌのデータとを比較する（ステップ１２０）。
画素毎の距離データと平均距離データとを比較した結果が、予め記憶された閾値Ｌ１の範囲外となる距離データを有する画素が存在する場合、該当箇所を特定掘削箇所として抽出する（ステップ１３０）。
【００３５】
その後、切羽面までの距離が均等な仮想平面ａを定める。仮想平面ａは、例えば平均距離Ｌから前記閾値Ｌ１としてコンピュータ８０に記憶された距離だけ掘削機１２側へシフトさせた位置に設定すれば良い。特定掘削箇所が存在する場合において、前記仮想平面ａを設定すると、図４に示すように、特定掘削箇所が仮想平面ａから突出した状態で表される（ステップ１４０）。
【００３６】
そして、コンピュータ８０は掘削機１２の駆動制御装置７０に信号を送り、アーム７４ａ及びヘッド７４ｂを動作させ、前記特定掘削箇所を掘削する。特定掘削箇所の掘削は、少なくとも前記仮想平面ａまで行うようにすると良い（ステップ１５０）。
【００３７】
特定掘削箇所の掘削が終了した後、例えばトンネル掘削用に作成されたＣＡＤデータと、掘削対象となった切羽面の位置とを比較し、予定されている掘削が終了したかどうかを判定する（ステップ１７０）。ここで、掘削が終了したと判定された場合は、トンネルの掘削作業は終了する。
【００３８】
一方、予定されている掘削が終了していないと判定された場合は、ステップ１００にフィードバックし、再び切羽面の３次元計測を行う。
なお、ステップ１３０で特定掘削箇所の抽出を試みた結果、ステップ１４０において特定掘削箇所が存在しないと判定された場合（例えば図５参照）には、ステップ１６０へ進み、切羽面全体の掘削を行う。この場合においても、切羽面に対して仮想平面を設定するが、当該ステップにおいて設定される仮想平面は、前記切羽面までの平均距離Ｌよりも所定距離（Ｌ３）延長した位置に設定すると良い。仮想平面ｂをこのように設定することで、トンネル掘削を効率良く行うことができるからである。そして、切羽面の掘削が終了した後、ステップ１７０へ進み、掘削が終了したか否かの判定が成される。
【００３９】
なお、ステップ１６０において仮想平面を設定する場合の延長量は、掘削対象となる切羽面の土質の違いや、掘削手段の違い等を考慮して設定される。土質については、予め調査することにより概略情報を取得するようにしても良いし、掘削機にセンサ等を取り付けることで、適宜検査を行いながら情報を得るようにしても良い。
【００４０】
上記実施形態では、レーザ光照射ユニット２０から照射するレーザ光は１つとしているが、掘削するトンネルが暗く、光検出器で十分な光度を得られない場合には、複数のレーザ光を照射するようにしても良い。この場合、レーザ光の照射位置の違いから受光時のレーザ光の位相差の特定が困難になり、作成される３次元画像が歪む場合がある。これを防止するため、照射するレーザ光を複数にする場合には、レーザ光毎に識別信号を重畳させると良い。これにより、レーザ光毎の照射源のズレを特定することが可能となり、作成される３次元画像は正常なものとなる。なお、レーザ光に識別信号を重畳させた場合には、レーダ回路ユニット５０や、コンピュータ８０で復調処理を行い、到来したレーザ光の照射源を特定する必要がある。前記識別信号としては、ＰＮ（Pseudo Noise：擬似ノイズ）信号等であれば良い。
【００４１】
また、上記実施形態では、操作・監視手段１４は、主に監視のみを行う手段として記載した。しかしながら、監視モニタに表示される３次元画像を参照しながら作業者が掘削機１２を操作するようにしても良い。この場合、掘削機１２には、別途２次元撮影用のカメラ等を搭載し、監視モニタには３次元画像の他、２次元映像を表示するようにしても良い。
【００４２】
また、上記実施形態では、空間変調器としてマイクロミラーを採用する旨記載したが、電気的制御が可能であれば、パターンにしたがって表面状態を部分的に変化させるハーフミラーのようなものであっても良い。例えば液晶技術を応用することが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の掘削システム及び掘削機の構成を示すブロック図である。
【図２】マイクロミラーアレイの動作状態を示す図である。
【図３】掘削機により切羽面の３次元計測を行う様子を示す図である。
【図４】特定掘削箇所を仮想平面上に表示した様子を示す図である。
【図５】掘削機により切羽面の掘削を行う様子を示す図である。
【図６】凹凸の少ない切羽面を３次元計測する様子を示す図である。
【図７】システムを動作させて掘削を行う場合のフローチャートである。
【符号の説明】
【００４４】
１０………掘削システム、１２………掘削機、１４………操作・監視手段、１６………３次元画像情報取得装置（３次元レーザレーダ）、２０………レーザ光照射ユニット、２２………光学レンズ、２４………レーザ出力部、３０………光学ユニット、３２………光学レンズ、３３………プリズム、３４………マイクロミラー空間変調器（空間変調器）、３６………マイクロミラー制御回路、３８………タイミングコントローラ、４０………光検出器、５０………レーダ回路ユニット、５２………高周波発振器（ＲＦ発振器）、５４………パワースプリッタ、５６………ＲＦアンプ、５８………９０°ハイブリッド、６０（６０ａ，６０ｂ）………ミキサ、６２（６２ａ，６２ｂ）………ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、６４………Ａ／Ｄコンバータ、６６………ＲＦアンプ、６８………パワースプリッタ、７０………駆動制御装置、７２………移動手段、７４………掘削手段、８０………コンピュータ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘削機並びに掘削システム、及び掘削方法に係り、特に画像処理を用いて切羽面の状態を把握して掘削を行う掘削機並びに掘削システム、及び掘削方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネルを掘削する機械は、大別すると２種類のものを挙げることができる。全断面トンネル掘進機（トンネルボーリングマシン）と呼ばれる機械と、アームを操作して掘削を行う掘削機（以下単に掘削機という）である。
前記トンネルボーリングマシンは、高速掘進が可能であること、安全性が高く、円形断面であり余堀も殆どなく力学的に安定であること、及び切羽面に人が近づくことが無いため安全であること等の長所が知られている。しかし、断層破砕帯・軟弱層における掘削ではトラブルが発生しやすいこと、機械が大掛かりで工費がかさむこと、断面形状が円形に限定されること等の理由から、距離の短いトンネルや、地表から比較的浅い箇所に掘られるトンネルの掘削には使用される機会が少ない。
【０００３】
一方、前記掘削機は、トンネルボーリングマシンに比べ小型であり、工費も安く抑えられ、トンネルの断面形状は、切羽面の掘削を行うアームの操作次第でバリエーションを増やすことができるため、距離の短いトンネル等の掘削に多く用いられる。しかし、トンネルボーリングマシンが切羽面の全面を一度に掘削することに比べ、掘削機はアームによって切羽面を部分的に掘削するため、掘進の効率は低い。また、作業者が乗車して操作を行うため、作業者が切羽面へ近づくこととなり、安全性についてもトンネルボーリングマシンの方が高い。
【０００４】
掘削機を用いてトンネル掘削を行う上での安全性を高める方法として、切羽面と離れた位置で掘削機を遠隔操作することが特許文献１に示されている。特許文献１に記載されている方法は、遠隔操作可能に構成された掘削機の機体にステレオ撮影可能なカメラを備える。そして、前記カメラによって得られた２つの画像をステレオマッチングすることで得られる３次元画像と、トンネル設計用の３次元ＣＡＤデータとを重ね合わせ、重ね合わせた画像データを表示手段に表示する。この後、作業者は前記表示手段に表示された画像データを参照して掘削機のアームを操作してトンネルの掘削を行う。
【特許文献１】特開平６−３１７０９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された方法であれば、作業者はトンネルの切羽面を実際に目視しなくとも、その凹凸形状や掘削方向を把握することができる。このため、遠隔地で無人の掘削機を操作することによってトンネル掘削を進めることが可能となると考えられる。しかし、ステレオマッチングによって得られる３次元画像だけでは正確な距離情報を得ることができないため、実際に遠隔操作を行う場合には熟練度を必要とする。また、掘削機が３次元ＣＡＤデータ上の何処に位置しているかを把握しなければならない。このため、掘削機の周囲には予め複数のターゲットを設け、それぞれのターゲットの座標点を把握し、これらの座標点から掘削機までの距離に基づく位置決め作業等を必要とする。よって、掘削機の周囲には常に座標位置が把握されたターゲットを複数配置しておく必要があり、作業効率が低下する。
【０００６】
本発明では、掘削を予定するトンネルの切羽面の状態を効率良く正確に把握することができ、トンネルの掘削を行うにあたり熟練度を必要とせず、掘削作業を安全に行うことができる掘削機並びに掘削システム、及び掘削方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明に係る掘削機は、レーザ光を用いて測距を行って計測対象面の３次元画像データを取得する３次元画像情報取得装置を備え、前記３次元画像情報取得装置を介して取得した３次元画像データに基づいて掘削箇所を特定し、掘削を行う掘削機であって、前記３次元画像取得装置は、レーザ光を照射するレーザ光照射ユニットと、照射されたレーザ光のうち、計測対象面に反射して到来したレーザ光を受光する光学ユニットと、前記レーザ光照射ユニットから照射したレーザ光と前記光学ユニットによって受光したレーザ光との位相差を割り出すレーダ回路ユニットとから構成され、前記光学ユニットには、取得する３次元画像データを構成する画素毎に選択されるそれぞれ異なるパターンに従って反射面を構成し、レーザ光を受光部に導く空間変調器を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、上記目的を達成するための本発明に係る掘削システムは、レーザ光を用いて測距を行って計測対象面の３次元画像データを取得する３次元画像情報取得装置を備え、前記３次元画像情報取得装置を介して取得した３次元画像データに基づいて掘削箇所を特定し、掘削を行う掘削機と、前記掘削機の動作を操作あるいは監視する操作・監視手段とを備える掘削システムであって、前記３次元画像取得装置は、レーザ光を照射するレーザ光照射ユニットと、照射されたレーザ光のうち、計測対象面に反射して到来したレーザ光を受光する光学ユニットと、前記レーザ光照射ユニットから照射したレーザ光と前記光学ユニットによって受光したレーザ光との位相差を割り出すレーダ回路ユニットとから構成され、前記レーザ光照射ユニットは拡散型のレーザを照射するレンズを備え、前記光学ユニットには、取得する３次元画像データを構成する画素毎に選択されるそれぞれ異なるパターンに従って反射面を構成し、レーザ光を受光部に導く空間変調器を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、上記目的を達成するための掘削方法は、レーザ光を照射して計測対象面に反射したレーザ光を受光して前記計測対象面までの距離データを取得し、レーザの照射範囲に設定された画素毎に前記距離データを当てはめて３次元画像データを作成し、前記３次元画像データに基づいて計測対象面における掘削箇所を特定し、前記掘削箇所に掘削手段を移動させて計測対象面の掘削を行う掘削方法において、到来したレーザ光は取得する画像データの画素毎に定められたそれぞれ異なるパターンに従って反射面を形成する空間変調器に反射させて受光することを特徴とする。
【００１０】
また、上記のような特徴を持つ掘削方法において、前記掘削箇所の特定は、前記計測対象面までの距離データに基づく平均距離と、画素毎の距離データとを比較することによって定めると良い。
さらに、掘削は、計測対象面の３次元画像データに従って、凹凸箇所が３次元画像データを構成する画素単位の距離データの平均値に対し、予め定めた閾値の範囲内となるように進めると良い。
【発明の効果】
【００１１】
上記本発明の掘削機並びに掘削システム及び掘削方法では、レーザ光により計測対象面までの距離を計測して３次元画像データを得るため、掘削を予定するトンネルの切羽面の凹凸状態を正確に把握することができる。また、受光部へレーザ光を導く空間変調器の反射面を画素毎に定められたパターンに従って形成するため、前記パターンに対応した画素を特定し、距離データをあてはめるだけで３次元画像データが得られるため、画像データ作成処理が早い。また、照射するレーザ光を拡散型としたことにより、レーザ光の照射角度を画素毎に変化させる必要が無くなる。また、照射された拡散レーザ光を、複数の反射体によって反射させて受光部へ導くことにより、拡散レーザ光であっても、十分な強度の光を得ることができる。
【００１２】
さらに、切羽面の凹凸が均等、あるいは一定範囲内に収まるように掘削を進めることにより、切羽面が力学的に安定する。
また、掘削作業を自動化することにより、熟練度を必要とせずにトンネルを掘削することが可能となる。また、本発明の掘削システムによれば、作業者が切羽面に接近することが無いため、作業における安全性が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の掘削機及び掘削システムに係る実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明に係る好適な実施形態の一部を示すものであり、本発明は以下の実施形態に限定されるものでは無い。
【００１４】
図１は、本発明の掘削機及び掘削システムに係る実施形態の概略構成を示すブロック図である。本実施形態の掘削システム１０は、トンネルの掘削を行う掘削機１２と、前記掘削機１２を操作あるいは監視する操作・監視手段１４とを基本構成とする。
【００１５】
前記掘削機１２は、掘削するトンネルの切羽面（図中では計測対象面）における凹凸形状を３次元画像情報として取得する３次元画像情報取得装置（以下、３次元レーザレーダという）１６と、掘削機１２自体を動作させる駆動制御装置７０と、前記３次元レーダレーダ１６と前記駆動制御装置７０及び前記操作・監視手段１４との間での制御信号の処理を担う信号処理装置（以下、コンピュータという）８０と、前記駆動制御装置７０によって制御されて切羽面の掘削を行う掘削手段７４、及び掘削機１２を移動させるための移動手段７２とを備える。
【００１６】
前記３次元レーザレーダ１６は、レーザ光照射ユニット２０と、光学ユニット３０、及びレーダ回路ユニット５０とを有する。
前記レーザ光照射ユニット２０は、掘削対象とされるトンネルの切羽面に対してレーザ光を照射するユニットである。具体的には、レーザダイオード及びミラー等から構成されるレーザ発振器と前記レーザダイオードにレーダ回路ユニット５０から出力された信号を与えて動作させるドライバとから成るレーザ出力部２４と、前記レーザ出力部２４から出力されたレーザ光を拡散させる光学レンズ２２とを有する。本実施形態では照射するレーザ光を拡散するため、光学レンズ２２には例えば両凸レンズを用いれば良い。
【００１７】
前記光学ユニット３０は、前記レーザ光照射ユニット２０によって照射されたレーザ光のうち、照射対象であるトンネルの切羽面に反射して到来したレーザ光を受光するユニットである。具体的には、光学レンズ３２、プリズム３３、マイクロミラーアレイ空間変調器（以下、空間変調器という）３４、光検出器（光電変換器）４０等を備え、到来した反射光（レーザ光）を受光するユニットである。また、一般に、レーザ測距に用いられる光学ユニット３０には、光学レンズ３２の前段に、出力したレーザ光の周波数帯域の光をのみを透過させるバンドパスフィルタ（不図示）が備えられる。
【００１８】
前記光学レンズ３２は、前記バンドパスフィルタを透過して到来したレーザ光を集光してプリズム３３へ導く。プリズム３３は入射されたレーザ光の進路を変更し、空間変調器３４のマイクロミラー３４ａ（図２参照）へ導くと共に、前記マイクロミラー３４ａによって適正に反射されたレーザ光を光検出器４０へと導く。空間変調器３４は、平面上に配列された複数のマイクロミラー（反射体）３４を有するものである。例えば図２のように配列されたマイクロミラーアレイでは、個々のマイクロミラー３４ａの反射面を所定の向き（方向）へ傾けることで、プリズム３３によって導かれたレーザ光を適正な方向（光検出器４０の受光面）へ反射させる。空間変調器３４には、前記マイクロミラー３４ａの動作を個々に制御するマイクロミラー制御回路３６が接続されており、マイクロミラー制御回路３６には、マイクロミラー３４ａを制御するタイミングを図るタイミングコントローラ３８が設けられる。タイミングコントローラ３８は、コンピュータ８０から出力される制御信号を受け、当該制御信号に従ってマイクロミラー３４ａの制御を行う。このような制御部を有する空間変調器のマイクロミラー３４ａは、制御によりＯＮとなった場合（図２においてはＡの状態）に、その反射面を所定の向きへ傾け、制御が行われない状態（ＯＦＦ状態：図２においてはＢの状態）においては、反射面をＯＮと反対側へ傾ける。このため、ＯＦＦ状態のマイクロミラー３４ａに入射したレーザ光は、適正な方向へと反射されず、光検出器４０に受光され無い。
【００１９】
マイクロミラーアレイ３４ａのＯＮ／ＯＦＦのパターン制御は、所望する３次元画像の画素数に対応させた複数のパターンが選択される。本実施形態のマイクロミラーアレイ３４ａのＯＮ／ＯＦＦパターンは、拡散されたレーザ光を効率良く集光するために、各パターンにおいて５０％程度のマイクロミラー３４ａがＯＮ状態となるようにすると良い。これにより、受光される信号のＳＮ比が向上し、詳細を後述するレーダ回路ユニット５０における増幅や検波等の処理時に、ノイズに埋もれてしまうことが少なくなる。
【００２０】
前記マイクロミラーアレイ３４ａのＯＮ／ＯＦＦパターンの制御には、アダマール行列を用いたアダマール変換を利用すると良い。パターン制御にアダマール行列を用いた場合、各パターンを逆変換することにより対応する画素の位置を特定することができるため、３次元画像を作成する際の演算処理が容易となる。このため、レーザ光を用いた計測面の走査から３次元画像作成までの一連の処理の高速化を図ることができる。なお、マイクロミラーアレイの制御にアダマール行列を利用する場合、マイクロミラーアレイはマトリックス状に配置されることとなる。
【００２１】
上記のように、空間変調器３４にマイクロミラーアレイを備えることで、拡散レーザを用いた場合であっても、光検出器４０に十分な光強度のレーザ光を入射することができる。また、測距用のレーザとして拡散レーザを採用することにより、スポットレーザのように照射角度を変えるという処理が少なく、或いは処理自体が必要なくなる。このため、レーザの照射角度を変化させるための機構や制御回路が不要となり、装置の小型化を図ることが可能となる。また、マイクロミラーアレイの制御パターンにアダマール行列を利用することにより、距離データを得た画素毎の配列を求める演算処理が容易となるため、データ取得から３次元画像作成までの処理速度が向上する。
【００２２】
前記レーダ回路ユニット５０は、前記レーザ光照射ユニット２０へ出力信号を供給すると共に、当該出力信号と同一の信号を受光側の参照信号として与え、当該参照信号と前記光学ユニット３０によって検出された信号との位相差を取り出すユニットである。具体的には、高周波発振器（ＲＦ（Radio Frequency）発振器）５２と、パワースプリッタ５４，６８と、ＲＦアンプ５６，６６と、ハイブリッド５８と、ミキサ６０（６０ａ，６０ｂ）と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）６２（６２ａ，６２ｂ）と、Ａ／Ｄコンバータ６４とを有する回路である。
【００２３】
前記ＲＦ発振器５２は、単一の周波数の信号を発振する。前記パワースプリッタ５４は、前記ＲＦ発振器５２から出力された信号を前記レーザ光照射ユニット２０へ供給する信号と、受光側の参照信号とに分割し、同一信号を２方向へ出力する。レーザ光照射ユニット２０への供給信号として出力された信号は、ＲＦアンプ５６へ入力され、増幅された後、レーザ光照射ユニット２０へ入力される。
【００２４】
一方、受光側の参照信号として出力された信号は、９０°ハイブリッド５８に入力され、位相が９０°ずれた同一周波数の２つの信号（０°と−９０°）に分割されて、それぞれミキサ６０に入力される。それぞれのミキサ６０には、９０°ハイブリッド５８からの出力信号の他に、前記光検出器４０によって入力される受光信号がＲＦアンプ６６、パワースプリッタ６８を介して入力される構成となっている。２つの信号が入力されたそれぞれのミキサ６０からは、中間周波数信号（ＩＦ（Intermediate Frequency）信号）が出力される。ミキサ６０から出力されたＩＦ信号（和分：高周波と差分：低周波）は、ＬＰＦ６２を通過する。ＬＰＦ６２を通過した差分の信号は、Ａ／Ｄコンバータ６４へ入力される。Ａ／Ｄコンバータ６４には、前記ＬＰＦ６２からの信号の他、光学ユニット３０のタイミングコントローラ３８からの空間変調器３４の制御信号が入力される。入力された２つの信号は、それぞれデジタル信号に変換されて、コンピュータ８０へ出力される。
【００２５】
上述のようにしてコンピュータ８０へ取り込まれた複素数データの実数部と虚数部をマイクロミラーアレイの制御パターンに用いたアダマール行列に従って個別に逆変換する。これにより各画素毎の複素数データが得られる。これらのデータから振幅と位相を求める。このうちの位相データから計測対象面である切羽面までの距離が算出される。このようにして３次元画像データを作成する。
作成した３次元画像データは、操作・監視手段へ送信し、監視モニタに出力される。
【００２６】
前記駆動制御装置７０は、前記コンピュータ８０からの駆動制御信号を受けることにより、掘削機１２に備えられた掘削手段７４や、移動手段７２等を動作させる駆動信号を、各駆動用モータ（不図示）等に送る装置である。
前記掘削手段７４は、トンネルの切羽面を掘削するためのカッタやドリル、ピック等を備えるヘッド７４ｂと、前記ヘッド７４ｂを所定位置に移動させるためのアーム７４ａとを基本構成とする。また、前記移動手段７２は、ローラやキャタピラ等によって構成されるもので良い。
【００２７】
コンピュータ８０が駆動制御装置７０へ信号を出力するにあたっては、次のような処理が行われる。まず、画素単位で計測した切羽面までの距離に基づいて、切羽面までの平均距離Ｌ（図３参照）を算出する。次に、画素毎の距離データと前記平均距離Ｌとを比較する。なお、比較は減算によって行えば良い。
【００２８】
コンピュータ８０には、前記平均距離Ｌから特定の距離（Ｌ１）だけ掘削機１２側へシフトさせる距離を閾値として記憶されており、比較結果が閾値Ｌ１の範囲外であった場合、該当箇所は特異点として特定掘削箇所に設定される。例えば前記平均距離Ｌのデータから特定の画素に与えられた距離データを減算した結果Ｌ２が、前記閾値Ｌ１よりも大きい場合、その画素は特定掘削箇所に設定される。
【００２９】
この後、掘削機１２から所定の距離（例えば閾値として定めた距離）Ｌ１に仮想平面ａを設定し、当該仮想平面ａ上に特定掘削箇所の３次元データを合成し、操作・監視手段１４の監視モニタに表示する（図４参照）。
その後、特定掘削箇所のうち、与えられた距離データが小さい画素が存在するエリアから掘削を行うように、前記駆動制御装置７０に制御信号を出力する（図５参照）。
【００３０】
一方、図６に示すようにＬ２がいずれもＬ１より小さく特定掘削箇所が存在しないと判定した場合には、切羽面の全体掘削する旨の制御信号を駆動制御装置７０へ出力する。この場合、切羽面の掘削量を定めるために、前記平均距離Ｌよりも所定距離延長した位置（例えばＬ３だけ延長した位置）に仮想平面ｂを設定し、当該仮想平面ｂまで掘削を行うようにする。
そして、所定範囲の掘削が終了した場合、コンピュータ８０は再度切羽面の３次元計測を行うか、移動手段７２により掘削機１２を移動させる旨の信号を前記駆動制御装置７０へ出力する。
【００３１】
このような処理に従って切羽面の掘削を行うことにより、切羽面の凹凸を均等あるいは一定範囲内に抑えることができる。このため、切羽面の特定箇所に過度の荷重が加わることが無く、力学的に安定な状態で掘削を行うことができる。
前記操作・監視手段１４は、前記掘削機１２に備えられたコンピュータ８０と無線或いは有線で接続されており、掘削時に作成された３次元画像データを参照可能な監視モニタや、掘削開始或いは停止等の基本操作信号を送信するための基本操作信号送信手段を備えている。
【００３２】
このような構成の掘削システム１０によれば、トンネル掘削に際し、作業員が切羽面に接近することが無いため、安全性が高い。また、切羽面の３次元画像データを得るための処理速度が速いため、掘削作業を円滑に行うことができ、作業効率が良い。また、光学ユニット３０の空間変調器３４にマイクロミラーアレイを採用したことにより、ガルバノミラーやポリゴンミラーを採用するものに比べて装置を小型化することができる。さらに、レーザ光照射ユニット２０から照射されるレーザ光を拡散させているため、安全性が高い。
【００３３】
上記構成の掘削システム１０では、次のような手順に従ってトンネル切羽面の掘削が行われる。
まず、作業者によって操作・監視手段１４に入力された指令に従って、掘削を行う切羽面全体の３次元計測を行う（ステップ１００）。
【００３４】
切羽面の３次元計測を終えた後、切羽面について計測を行った画素数と画素毎に得られた距離データとから、掘削機１２（３次元レーザレーダ１６）から切羽面までの平均距離Ｌを算出する（ステップ１１０）。
掘削機から切羽面までの平均距離を算出した後、画素毎に取得した距離データと、前記平均距離Ｌのデータとを比較する（ステップ１２０）。
画素毎の距離データと平均距離データとを比較した結果が、予め記憶された閾値Ｌ１の範囲外となる距離データを有する画素が存在する場合、該当箇所を特定掘削箇所として抽出する（ステップ１３０）。
【００３５】
その後、切羽面までの距離が均等な仮想平面ａを定める。仮想平面ａは、例えば平均距離Ｌから前記閾値Ｌ１としてコンピュータ８０に記憶された距離だけ掘削機１２側へシフトさせた位置に設定すれば良い。特定掘削箇所が存在する場合において、前記仮想平面ａを設定すると、図４に示すように、特定掘削箇所が仮想平面ａから突出した状態で表される（ステップ１４０）。
【００３６】
そして、コンピュータ８０は掘削機１２の駆動制御装置７０に信号を送り、アーム７４ａ及びヘッド７４ｂを動作させ、前記特定掘削箇所を掘削する。特定掘削箇所の掘削は、少なくとも前記仮想平面ａまで行うようにすると良い（ステップ１５０）。
【００３７】
特定掘削箇所の掘削が終了した後、例えばトンネル掘削用に作成されたＣＡＤデータと、掘削対象となった切羽面の位置とを比較し、予定されている掘削が終了したかどうかを判定する（ステップ１７０）。ここで、掘削が終了したと判定された場合は、トンネルの掘削作業は終了する。
【００３８】
一方、予定されている掘削が終了していないと判定された場合は、ステップ１００にフィードバックし、再び切羽面の３次元計測を行う。
なお、ステップ１３０で特定掘削箇所の抽出を試みた結果、ステップ１４０において特定掘削箇所が存在しないと判定された場合（例えば図５参照）には、ステップ１６０へ進み、切羽面全体の掘削を行う。この場合においても、切羽面に対して仮想平面を設定するが、当該ステップにおいて設定される仮想平面は、前記切羽面までの平均距離Ｌよりも所定距離（Ｌ３）延長した位置に設定すると良い。仮想平面ｂをこのように設定することで、トンネル掘削を効率良く行うことができるからである。そして、切羽面の掘削が終了した後、ステップ１７０へ進み、掘削が終了したか否かの判定が成される。
【００３９】
なお、ステップ１６０において仮想平面を設定する場合の延長量は、掘削対象となる切羽面の土質の違いや、掘削手段の違い等を考慮して設定される。土質については、予め調査することにより概略情報を取得するようにしても良いし、掘削機にセンサ等を取り付けることで、適宜検査を行いながら情報を得るようにしても良い。
【００４０】
上記実施形態では、レーザ光照射ユニット２０から照射するレーザ光は１つとしているが、掘削するトンネルが暗く、光検出器で十分な光度を得られない場合には、複数のレーザ光を照射するようにしても良い。この場合、レーザ光の照射位置の違いから受光時のレーザ光の位相差の特定が困難になり、作成される３次元画像が歪む場合がある。これを防止するため、照射するレーザ光を複数にする場合には、レーザ光毎に識別信号を重畳させると良い。これにより、レーザ光毎の照射源のズレを特定することが可能となり、作成される３次元画像は正常なものとなる。なお、レーザ光に識別信号を重畳させた場合には、レーダ回路ユニット５０や、コンピュータ８０で復調処理を行い、到来したレーザ光の照射源を特定する必要がある。前記識別信号としては、ＰＮ（Pseudo Noise：擬似ノイズ）信号等であれば良い。
【００４１】
また、上記実施形態では、操作・監視手段１４は、主に監視のみを行う手段として記載した。しかしながら、監視モニタに表示される３次元画像を参照しながら作業者が掘削機１２を操作するようにしても良い。この場合、掘削機１２には、別途２次元撮影用のカメラ等を搭載し、監視モニタには３次元画像の他、２次元映像を表示するようにしても良い。
【００４２】
また、上記実施形態では、空間変調器としてマイクロミラーを採用する旨記載したが、電気的制御が可能であれば、パターンにしたがって表面状態を部分的に変化させるハーフミラーのようなものであっても良い。例えば液晶技術を応用することが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の掘削システム及び掘削機の構成を示すブロック図である。
【図２】マイクロミラーアレイの動作状態を示す図である。
【図３】掘削機により切羽面の３次元計測を行う様子を示す図である。
【図４】特定掘削箇所を仮想平面上に表示した様子を示す図である。
【図５】掘削機により切羽面の掘削を行う様子を示す図である。
【図６】凹凸の少ない切羽面を３次元計測する様子を示す図である。
【図７】システムを動作させて掘削を行う場合のフローチャートである。
【符号の説明】
【００４４】
１０………掘削システム、１２………掘削機、１４………操作・監視手段、１６………３次元画像情報取得装置（３次元レーザレーダ）、２０………レーザ光照射ユニット、２２………光学レンズ、２４………レーザ出力部、３０………光学ユニット、３２………光学レンズ、３３………プリズム、３４………マイクロミラー空間変調器（空間変調器）、３６………マイクロミラー制御回路、３８………タイミングコントローラ、４０………光検出器、５０………レーダ回路ユニット、５２………高周波発振器（ＲＦ発振器）、５４………パワースプリッタ、５６………ＲＦアンプ、５８………９０°ハイブリッド、６０（６０ａ，６０ｂ）………ミキサ、６２（６２ａ，６２ｂ）………ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、６４………Ａ／Ｄコンバータ、６６………ＲＦアンプ、６８………パワースプリッタ、７０………駆動制御装置、７２………移動手段、７４………掘削手段、８０………コンピュータ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を用いて測距を行って計測対象面の３次元画像データを取得する３次元画像情報取得装置を備え、前記３次元画像情報取得装置を介して取得した３次元画像データに基づいて掘削箇所を特定し、掘削を行う掘削機であって、
前記３次元画像取得装置は、レーザ光を照射するレーザ光照射ユニットと、
照射されたレーザ光のうち、計測対象面に反射して到来したレーザ光を受光する光学ユニットと、
前記レーザ光照射ユニットから照射したレーザ光と前記光学ユニットによって受光したレーザ光との位相差を割り出すレーダ回路ユニットとから構成され、
前記光学ユニットには、取得する３次元画像データを構成する画素毎に選択されるそれぞれ異なるパターンに従って反射面を構成し、レーザ光を受光部に導く空間変調器を備えたことを特徴とする掘削機。
【請求項２】
レーザ光を用いて測距を行って計測対象面の３次元画像データを取得する３次元画像情報取得装置を備え、前記３次元画像情報取得装置を介して取得した３次元画像データに基づいて掘削箇所を特定し、掘削を行う掘削機と、前記掘削機の動作を操作あるいは監視する操作・監視手段とを備える掘削システムであって、
前記３次元画像取得装置は、レーザ光を照射するレーザ光照射ユニットと、
照射されたレーザ光のうち、計測対象面に反射して到来したレーザ光を受光する光学ユニットと、
前記レーザ光照射ユニットから照射したレーザ光と前記光学ユニットによって受光したレーザ光との位相差を割り出すレーダ回路ユニットとから構成され、
前記レーザ光照射ユニットは拡散型のレーザを照射するレンズを備え、
前記光学ユニットには、取得する３次元画像データを構成する画素毎に選択されるそれぞれ異なるパターンに従って反射面を構成し、レーザ光を受光部に導く空間変調器を備えたことを特徴とする掘削システム。
【請求項３】
レーザ光を照射して計測対象面に反射したレーザ光を受光して前記計測対象面までの距離データを取得し、
レーザの照射範囲に設定された画素毎に前記距離データを当てはめて３次元画像データを作成し、
前記３次元画像データに基づいて計測対象面における掘削箇所を特定し、
前記掘削箇所に掘削手段を移動させて計測対象面の掘削を行う掘削方法において、
到来したレーザ光は取得する画像データの画素毎に定められたそれぞれ異なるパターンに従って反射面を形成する空間変調器に反射させて受光することを特徴とする掘削方法。
【請求項４】
前記掘削箇所の特定は、前記計測対象面までの距離データに基づく平均距離と、画素毎の距離データとを比較することによって定めることを特徴とする請求項３に記載の掘削方法。
【請求項５】
掘削は、計測対象面の３次元画像データに従って、凹凸箇所が３次元画像データを構成する画素単位の距離データの平均値に対し、予め定めた閾値の範囲内となるように進めることを特徴とする請求項３に記載の掘削方法。
【請求項１】
レーザ光を用いて測距を行って計測対象面の３次元画像データを取得する３次元画像情報取得装置を備え、前記３次元画像情報取得装置を介して取得した３次元画像データに基づいて掘削箇所を特定し、掘削を行う掘削機であって、
前記３次元画像取得装置は、レーザ光を照射するレーザ光照射ユニットと、
照射されたレーザ光のうち、計測対象面に反射して到来したレーザ光を受光する光学ユニットと、
前記レーザ光照射ユニットから照射したレーザ光と前記光学ユニットによって受光したレーザ光との位相差を割り出すレーダ回路ユニットとから構成され、
前記光学ユニットには、取得する３次元画像データを構成する画素毎に選択されるそれぞれ異なるパターンに従って反射面を構成し、レーザ光を受光部に導く空間変調器を備えたことを特徴とする掘削機。
【請求項２】
レーザ光を用いて測距を行って計測対象面の３次元画像データを取得する３次元画像情報取得装置を備え、前記３次元画像情報取得装置を介して取得した３次元画像データに基づいて掘削箇所を特定し、掘削を行う掘削機と、前記掘削機の動作を操作あるいは監視する操作・監視手段とを備える掘削システムであって、
前記３次元画像取得装置は、レーザ光を照射するレーザ光照射ユニットと、
照射されたレーザ光のうち、計測対象面に反射して到来したレーザ光を受光する光学ユニットと、
前記レーザ光照射ユニットから照射したレーザ光と前記光学ユニットによって受光したレーザ光との位相差を割り出すレーダ回路ユニットとから構成され、
前記レーザ光照射ユニットは拡散型のレーザを照射するレンズを備え、
前記光学ユニットには、取得する３次元画像データを構成する画素毎に選択されるそれぞれ異なるパターンに従って反射面を構成し、レーザ光を受光部に導く空間変調器を備えたことを特徴とする掘削システム。
【請求項３】
レーザ光を照射して計測対象面に反射したレーザ光を受光して前記計測対象面までの距離データを取得し、
レーザの照射範囲に設定された画素毎に前記距離データを当てはめて３次元画像データを作成し、
前記３次元画像データに基づいて計測対象面における掘削箇所を特定し、
前記掘削箇所に掘削手段を移動させて計測対象面の掘削を行う掘削方法において、
到来したレーザ光は取得する画像データの画素毎に定められたそれぞれ異なるパターンに従って反射面を形成する空間変調器に反射させて受光することを特徴とする掘削方法。
【請求項４】
前記掘削箇所の特定は、前記計測対象面までの距離データに基づく平均距離と、画素毎の距離データとを比較することによって定めることを特徴とする請求項３に記載の掘削方法。
【請求項５】
掘削は、計測対象面の３次元画像データに従って、凹凸箇所が３次元画像データを構成する画素単位の距離データの平均値に対し、予め定めた閾値の範囲内となるように進めることを特徴とする請求項３に記載の掘削方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−２４９８８３（Ｐ２００６−２４９８８３Ａ）
【公開日】平成１８年９月２１日（２００６．９．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−７１９１４（Ｐ２００５−７１９１４）
【出願日】平成１７年３月１４日（２００５．３．１４）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月２１日（２００６．９．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月１４日（２００５．３．１４）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
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